L’objectif global de cette procédure est de tester les propriétés de frottement des phyllosilicates, avec des défauts cisaillés dans la géométrie in situ, et de montrer que ce frottement est significativement inférieur au frottement des poudres obtenues par le même matériau. Au cours de l’évolution à long terme des failles tectoniques, de nombreuses études géologiques ont documenté l’adoucissement par réaction assistée par fluide, qui favorise le remplacement des minéraux forts et granulaires par des phyllosilicates. En particulier, les processus de fracturation le long des failles augmentent la perméabilité et facilitent l’afflux de fluides hydroux dans la zone de faille.
Les fluides réagissent avec la roche à grain fin, favorisant la dissolution des minéraux forts comme le quartz, le feldspath et la calcite. Ils deviennent des phyllosilicates platy et forment des microstructures foliées, comme celle présentée ici en vert. Le glissement le long des phyllosilicates de la micro-échelle est transmis à l’ensemble de la zone de faille via l’interconnectivité des zones de cisaillement riches en phyllosilicates.
Ceci est un exemple de la continuité de la zone de cisaillement du phyllosilicate à l’échelle de l’affleurement, qui peut être étendue jusqu’aux failles à l’échelle de la croûte terrestre avec des épaisseurs de plus de 100 mètres. Le long d’une faille riche en phyllosilicate comme celle-ci, le cisaillement tonique a produit l’alignement du phyllosilicate, produisant cette anisotropie rocheuse de faille. Afin de prendre en compte le rôle de l’anisotropie dans les propriétés de frottement de la faille, nous devons collecter les bons échantillons de roche.
Pour ce faire, nous devons prélever un échantillon de roche représentatif et, dans l’affleurement, sélectionner une partie où les indicateurs cinématiques sont le mieux conservés. Et puis nous utilisons un ciseau et un marteau pour prélever l’échantillon de roche. Une fois que l’échantillon de roche a été recueilli, nous marquons la sensation de cisaillement, puis nous apportons l’échantillon de roche au laboratoire pour l’expérience.
Avec cette procédure, nous coupons les échantillons de roche pour obtenir des plaquettes qui s’adaptent aux blocs de forçage de l’appareil de déformation de la roche. Ceci est généralement réalisé en 2 étapes. Dans la première étape, nous utilisons une scie de laboratoire standard pour obtenir des échantillons de roche légèrement plus grands que les blocs de forçage.
Deuxièmement, nous utilisons une lame rotative de haute précision, ou une meuleuse à main, pour façonner les plaquettes de sorte qu’elles aient une superficie de 5 par 5 centimètres et une épaisseur d’environ 1 centimètre. À partir du même morceau de roche, nous utilisons un broyeur à disques pour obtenir un matériau granulaire qui est tamisé pour atteindre la taille de grain souhaitée, généralement inférieure à 125 microns. Les 2 plaquettes identiques sont montées sur des blocs de forçage en acier inoxydable avec une surface de contact de frottement nominale de 5 par 5 centimètres, puis sont assemblées avec un bloc de forçage central pour composer la configuration symétrique et double direct.
De la même manière, les poudres sont utilisées pour construire 2 couches identiques dont l’épaisseur est d’environ 5 millimètres, et dont la surface de contact est de 5 par 5 centimètres. Ceux-ci sont ensuite utilisés pour composer une configuration de cisaillement double direct similaire. À ce stade, la configuration de cisaillement double direct est positionnée dans notre appareil biaxial et nous sommes prêts à commencer l’expérience de frottement.
Nous utilisons un piston hydraulique servocommandé pour appliquer et maintenir une contrainte normale constante sur l’échantillon de roche. Ensuite, en avançant le bélier vertical, nous appliquons une contrainte de cisaillement à vitesse de glissement constante; elle est généralement de 10 microns par seconde. La plupart des expériences sont caractérisées par un durcissement initial à la déformation, où la contrainte de cisaillement augmente rapidement pendant la charge élastique, suivie d’une contrainte de cisaillement à l’état d’équilibre.
Le rapport contrainte de cisaillement / contrainte normale nous donne le coefficient de frottement. À la fin de l’essai de frottement, nous extrayons soigneusement la faille expérimentale, nous imprégnons l’échantillon de roche avec de la résine époxy, nous coupons l’échantillon dans une direction parallèle à la sensation de cisaillement et nous construisons des sections minces à partir des coupes pour des études microstructurales. Nous utilisons un microscope optique pour caractériser les défauts en vrac sur la microstructure.
Nous analysons les microstructures avec un microscope électronique à balayage pour étudier les principaux processus de déformation. Nous utilisons un microscope électronique à transmission pour obtenir des détails sur les processus de déformation jusqu’à l’échelle nanométrique. Dans un diagramme de contrainte normale par rapport à la contrainte de cisaillement, les plaquettes foliées solides et les échantillons de poudre tracent le long de la ligne, ce qui correspond à une enveloppe de défaillance fragile.
Mais les plaquettes solides ont une valeur de frottement nettement inférieure à celle des analogues en poudre. En particulier, les poudres présentent un frottement d’environ 0,6, tandis que les roches foliées ont des valeurs nettement inférieures. À chaque contrainte normale, les roches foliées ont un coefficient de frottement inférieur de 0,2 à 0,3 unité aux poudres qui en sont issues.
Les études microstructurales des roches testées montrent que le faible frottement des plaquettes solides est dû au glissement le long des foliations préexistantes à grain très fin faites de phyllosilicates. Les images TEM montrent que le glissement est principalement pris en charge par la fracturation, la translation et la rotation le long des phyllosilicates, avec un délaminage fréquent de la couche interne. En revanche, les expériences menées sur des poudres indiquent qu’une grande partie de la déformation se produit le long des zones effectuées par la fracturation et la réduction de la taille des grains.
Il en résulte des valeurs de frottement plus élevées. Ceci est un résumé des propriétés de frottement des failles tectoniques naturelles riches en phyllosilicate de différents environnements tectoniques. Les données montrent que le frottement est de l’ordre de 0,1 à 0,3, et ce frottement est nettement inférieur à la valeur traditionnelle de Byerlee du frottement obtenu à partir d’une large gamme de types de roches, qui sont principalement constitués de phases minérales granulaires.
Pour résumer, nos expériences de friction montrent que les échantillons foliés sont extrêmement faibles par rapport à leurs équivalents en poudre. Les études microstructurales indiquent que le frottement plus faible, ou en d’autres termes, la faiblesse de faille des roches de faille foliées est dû à la réactivation des surfaces naturelles préexistantes riches en phyllosilicate. Ces surfaces sont absentes dans les échantillons en poudre puisque l’étape de préparation de l’échantillon les détruit.
Nos essais de frottement sur des échantillons solides foliés montrent qu’un faible frottement, et donc une faiblesse de faille, peut se produire dans les cas où les phases minérales faibles ne constituent qu’un faible pourcentage de la roche totale de la faille, ce qui implique qu’un nombre important de failles de la croûte terrestre sont faibles.
